Молодые ученые Университета ИТМО стали обладателями стипендий от международного общества оптики и фотоники SPIE. В этом году победителями конкурса стали сразу пять сотрудников физико-технического факультета, лаборатории «Моделирование и дизайн наноструктур», а также научно-исследовательского центра оптико-электронного приборостроения. Как и в прошлом году, Университет ИТМО стал лидером по количеству стипендиатов. О своих исследованиях и о том, как они планируют развивать свою научную работу, ученые рассказали ITMO.NEWS.

Общество оптики и фотоники (Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers — SPIE) — это профессиональное некоммерческое международное объединение ученых, инженеров и студентов в области оптики и фотоники. SPIE объединяет свыше 17 тысяч членов из разных уголков Земного шара, в том числе участников около 100 студенческих подразделений. Общество публикует 10 научных журналов и поддерживает цифровой архив, содержащий более 235 тысяч онлайн-статей. За год проводится более чем 140 семинаров и конференций по всему миру.

Одним из направлений деятельности общества является поддержка молодых ученых и ежегодное присуждение стипендий на обучение в области оптики и фотоники. Они предоставляются учащимся университетов из любой точки мира, которые ведут работу в профильных областях и состоят в подразделениях SPIE.

Сумма стипендии покрывает расходы на обучение, учебные материалы, исследовательскую деятельность, а также другие расходы, связанные с образованием. Как отмечают в организации, ключевым критерием при оценке конкурсных заявок является «перспектива долгосрочного вклада, который присуждение стипендии внесет в области оптики, фотоники или смежных областей».

В этом году стипендию SPIE выиграли пять молодых ученых Университета ИТМО. Как и в прошлом году, вуз стал лидером по количеству стипендиатов. Всего стипендии были присуждены 75 ученым из университетов США, Канады, Германии, Великобритании, Финляндии, Эстонии, Аргентины, Румынии, Индии, Ирландии, Австралии, Колумбии, Украины, Белоруссии, Польши и России.

О своих исследованиях и перспективах работы, а также о том, какие возможности дает стипендия SPIE, молодые ученые рассказали ITMO.NEWS.

Татьяна Вовк, инженер факультета фотоники и оптоинформатики, сотрудница лаборатории «Моделирование и дизайн наноструктур»

Все новые технологии, которые мы используем каждый день, от смартфонов и автоматического вождения, до лазеров, светодиодов и микроволновых печей, а также такие невероятные достижения нашей цивилизации, как освоение космоса и создание мировой сети «Интернет» — все это было бы невозможно без открытий физической науки двадцатого и двадцать первого века. Все эти достижения, в свою очередь, обязаны рождению квантовой теории.

Существенным отличием квантовой физики, родившейся лишь около века назад, от классической физики, первые постулаты которой появились еще в античности, является невозможность её интуитивного восприятия. Классический учёный, основываясь на повседневном опыте, сначала формулировал физический закон, а затем проверял его на эксперименте. В квантовой механике, наоборот, на основании экспериментальных данных, которые не сходились с классическими моделями, выводились новые экзотические законы. По этим правилам живёт микроскопический мир — мир атомов, молекул и элементарных частиц. Долгое время научный мир скептически относился к «новой физике». Однако с течением времени колоссальное количество точных совпадений квантовой теории с экспериментальными результатами убедило человечество в её справедливости.

Именно квантовая физика способствовала технологическому прорыву человечества. Однако ни один человек в мире её не понимает. Ученые лишь используют её законы для предсказания физических эффектов. Человек никогда не сможет до конца убедиться в реальности контринтуитивных феноменов микромира на собственном опыте, так как не сможет увидеть действие законов квантовой механики собственными глазами. Поэтому сегодня основной задачей фундаментальной науки является перенос законов квантовой физики из систем микромира, недоступных для восприятия человека, в системы макромира, которые человек способен воспринимать непосредственно. Такой перенос осуществляется с помощью изощрённых экспериментов, проводимых в ведущих лабораториях мира.

Моя работа посвящена одному из таких экспериментов. Я теоретически исследую глубокое лазерное охлаждение диэлектрических нанокристаллов, легированных ионами иттербия, в поле радиочастотной ловушки. За счет ионов иттербия нанокристалл поглощает фотоны от лазера. При этом в результате каждого акта поглощения нанокристаллу сообщается импульс отдачи, замедляющий его поступательное движение. Диэлектрический нанокристалл с ионами иттербия обладает нескомпенсированным поверхностным зарядом, за счет которого он может быть «подвешен» электрическим полем радиочастотной ловушки, что необходимо для компенсации действия гравитационного поля, «разгоняющего» охлаждённый нанокристалл.

С помощью разрабатываемого мной метода в условиях высокого вакуума нанокристалл может быть охлаждён до температур, близких к абсолютному нулю, что соответствует переходу нанокристалла в макроскопическое квантовое состояние. Нанокристалл в таком состоянии начинает проявлять квантовые свойства, например, он может интерферировать на двух щелях, как элементарные частицы в знаменитом опыте Юнга. При этом нанокристалл слишком велик, чтобы считаться объектом микромира, но все ещё мал, чтобы человек мог увидеть его невооруженным глазом. Поэтому такие ультрахолодные квантовые нанокристаллы служат первым шагом к восприятию человеком квантовых законов.

В перспективе планирую подробнее исследовать феномен обмена энергиями поступательного движения и кристаллической решетки нанокристалла при его лазерном охлаждении в радиочастотной ловушке.

Стипендия SPIE

На мой взгляд, стать стипендиатом SPIE этого года мне помогла, во-первых, грамотно составленная заявка. Данная стипендия присуждается не по факту нужды в деньгах (например, для поездки на конференцию, и так далее), а по вашему обоснованию правильного их использования. При внимательном прочтении условий конкурса можно увидеть, что синонимами правильного употребления стипендии являются покупка учебной литературы в сфере оптики и фотоники, оплата онлайн-курсов, связанных с физикой, программированием, обучение на стажировках в области фотоники.

Также нелишним будет продемонстрировать отборочной комиссии ваш научный и, возможно, преподавательский потенциал, то есть рассказать о своей текущей работе и будущих планах, а также о том, какие образовательные мероприятия вас вдохновили на изучение оптики и фотоники, какие мероприятия вы, может быть, организуете сами. Во-вторых, конечно же, все ваши предыдущие награды и ваше резюме также играют важную роль. Однако стоит помнить, что получение такой же стипендии SPIE в прошлом (особенно недавнем, около 1-2 года) существенно снижает вероятность получения новой стипендии (но не исключает этого).

Стипендия SPIE, в первую очередь, частично обеспечит мою стажировку в лаборатории фотоники и квантовых измерений в Федеральной политехнической школе Лозанны, где я буду заниматься исследованиями в области оптомеханики. Также на средства стипендии я планирую приобрести учебники и онлайн-курсы, необходимые для дальнейшей работы.

Валерий Козин, инженер физико-технического факультета, сотрудник Международной научной лаборатории фотопроцессов в мезоскопических системах

В данный момент я занимаюсь сильно-коррелированными многочастичными системами, в том числе в контексте задачи квантового кристалла времени, квантовыми транспортными явлениями в разупорядоченных средах. Также в области моих текущих исследований лежат задачи поляритоники, фазовые переходы и их исследования с помощью методов машинного обучения. Награда SPIE мне была выдана по совокупности моих работ по оптически-контроллируемыми мезоскопическим устройствам, поляритонному топологическому изолятору и предложенному методу обнаружения фазовых переходов в магнитных системах с помощью методов машинного обучения.

То, чем я занимаюсь может быть использовано в перспективных спинтронных/спиноптронных устройствах. Есть ряд задач, которые имеют значение сугубо для теоретической физики – например, задача о квантовом кристалле времени. Долгое время считалось, что таких систем в строгом смысле не существует, была даже доказана соответствующая теорема, но мы в данный момент завершаем работу по тому, чтобы такую систему предложить. Рассматриваемая нами система едва ли может быть реализована на практике, но тем не менее она отвечает на давний вопрос, поставленный в 2012 году нобелевским лауреатом Франком Вильчеком о спонтанном нарушении трансляционной симметрии во времени.

Стипендия SPIE

Это был третий раз, когда я подавался на данную стипендию, и, по-видимому, жюри оценили мои работы, сделанные за полтора года в аспирантуре, когда я начал активно публиковаться по теме, близкой к SPIE. До этого в магистратуре я занимался суперсимметричной теорией Янга-Миллса, что не соответствовало тематике общества.

Немалую часть своих исследований провожу на компьютере, так как сейчас теоретическая физика часто идет бок о бок с вычислительной. Поэтому я планирую часть средств потратить на повышение производительности своего ПК. Еще часть средств потрачу на покупку книг. В дальнейшем я планирую продолжать заниматься сильно-коррелированным​ многочастичными системами, а также хочу попробовать свои силы в задачах квантовой информатики.

Анна Васильева, младший научный сотрудник научно-исследовательского центра оптико-электронного приборостроения                                            

Основным направлением моей деятельности является исследование визуализации ионизирующего излучения. Вместе с командой моих коллег, студентов и аспирантов факультета прикладной оптики, мы разрабатываем систему визуализации гамма-излучения. Мы получили финансирование на этот проект, выиграв конкурс практико-ориентированных НИОКТР от ИТМО. Формально сейчас наш проект находится на завершающей стадии, но мы планируем продолжать исследования в будущем. Результаты этого проекта войдут в мою диссертационную работу.

Важное применение результатов этих исследований – это системы безопасности на радиационно опасных объектах. Визуализация ионизирующего излучения позволит осуществлять радиационный мониторинг с высокой наглядностью и эффективностью. Развитие средств радиационного мониторинга всегда было актуальной и важной задачей. Думаю, сейчас, с выходом сериала «Чернобыль» от HBO, интерес к таким системам возрастет в широких кругах.

Конечной целью проекта является, разумеется, внедрение нашей системы визуализации на рынок и оборудование ею радиационно опасных объектов и мест массового скопления людей. Для этого требуется провести еще множество теоретических и экспериментальных исследований: как повысить разрешение изображения, расширить диапазон регистрируемых энергий, улучшить эксплуатационные характеристики. Это основные цели для наших будущих исследований. Я верю, что наше исследование имеет большой потенциал как в научном плане, так и для практического применения.

Стипендия SPIE

Стипендию от SPIE стало действительно сложно получить, поскольку конкурс ежегодно растет. Очень важно отразить в заявке свою мотивацию, желание внести вклад в современную науку, а также делиться своими знаниями. Для этого необходимо быть по-настоящему вдохновленным тем, что делаешь. Кроме того, думаю, важно показать свой профессиональный рост и развитие, начиная с самого начала обучения в университете. Всему этому я уделила много внимания при подготовке заявки.

Любое достижение, особенно такого уровня, как стипендия от SPIE, это прежде всего мотивация. Высокая оценка моей работы дает стимул развиваться, получать новые результаты и делиться ими с научным сообществом. В ближайшее время я буду представлять свое исследование с устным докладом на конференции SPIE Optical Metrology.

Олег Ермаков, инженер физико-технического факультета, сотрудник Международного научно-исследовательского центра нанофотоники и метаматериалов

Если вы бросите камень в воду, то увидите расходящиеся волны на поверхности воды. Я занимаюсь изучением аналогичных электромагнитных поверхностных волн на двумерных наноструктурах. Такие волны сильно локализуют электромагнитное поле вблизи структуры, зависят от направления распространения и обладают интересными поляризационными свойствами. В перспективе эти волны могут стать управляемыми носителями оптического сигнала и использоваться в оптических системах обработки информации, а также уже применяются в задачах детектирования биологических объектов.

Другая область моих исследований направлена на открытие поляризационной степени свободы для локализованных волн. В свободном пространстве вырожденность спектра электромагнитных волн по поляризации получается сама собой. За счет этого принципа работают все поляризационные устройства, а гибкое управление поляризацией повсеместно используется в микроскопии, криптографии, эллипсометрии, сенсорах и других областях оптики. Однако для локализованных поверхностных и волноводных мод поляризационная степень свободы отсутствует.

Моей целью является исследование физических принципов и создание структур, поддерживающих локализованные электромагнитные волны с вырожденным по поляризации спектром. Это позволит создать аналоги классических поляризационных устройств для волноводов и планарных технологий, а также улучшить многие оптические технологии.

Эти результаты были получены при поддержке грантов РФФИ, РНФ и Фонда развития теоретической физики и математики «БАЗИС».

Полный текст интервью читайте на нашем портале ITMO.NEWS

Елена Меньшикова

Редакция новостного портала